Лабораторная работа 2.

Импульсный источник питания

Теоретический материал.

Как видно из расчетов КПД линейных стабилизаторов, при стабилизации высокого входного напряжения в низкое выходное напряжение приходится сталкиваться с серьезными проблемами тепловыделения. Кроме того, возникают ситуации, когда необходимо организовать питание с напряжением питания выше, чем может дать источник питания. В таких случаях на помощь приходят схемы импульсных источников питания (ИИП).

На рис.1 приведена схема повышающего преобразователя:

Рис.1 Схема повышающего преобразователя

Для поддержания выходного напряжения осуществляется периодическая, с периодом T, коммутация ключа. В результате этого рабочий цикл разбивается на 2 такта: в течение времени DT ключ замкнут и ключ разомкнут. При замкнутом ключе ток от источника U_вх протекает только через катушку индуктивности L (диод VD закрыт), и в ней запасается энергия. При размыкании ключа запасенная в катушке энергия проходит через диод VD, подзаряжает выходной конденсатор С и обеспечивает током нагрузку R_н.

В установившемся режиме изменения токов и напряжений на компонентах схемы имеют периодический характер, при этом суммарное изменение величин, происходящее за время замыкания и размыкания ключа равно нулю. Например, величина нарастания тока в катушке при замкнутом ключе равна величине уменьшения тока, когда ключ разомкнут .

(1)

Исходя из этого получают расчетное соотношение для выходного напряжения повышающего стабилизатора:

, (2)

где D’ = 1-D.

Расчет компонентов схемы

Соотношения 1 и 2 справедливы только для режима непрерывного тока. То есть, за время периода T ток в катушке не должен уменьшаться до нуля (Рис. 3). В противном случае имеет место режим прерывистого тока

Рис. 3. Ток в катушке индуктивности

Для поддержания режима непрерывного тока необходимо, чтобы в схеме протекал минимальный тока нагрузки I_min, равный половине величины пульсаций тока через катушку.

(3)

Ток I_min равен половине допустимых пульсаций выходного тока преобразователя. Для требуемых U_вых, U_вх и известного периода T из (3) можно получить значение индуктивности L:

(4)

Значение выходной емкости C зависит от величины допустимых колебаний выходного напряжения , тока нагрузки I и периода преобразования T.

(5)

Потери и КПД реальной схемы повышающего преобразователя

При реализации повышающего ИИП в качестве ключа может быть применен полевой транзистор:

Рис. 4 Реализация повышающего ИИП

Компоненты схемы Рис. 4 неидеальны и обладают следующими

характеристиками, неучтенными в модели:

• R_кл – сопротивление канала открытого транзистора

• R_L – сопротивление катушки индуктивности

• R_D, U_D – сопротивление и прямое падение напряжение на диоде

Рис.5. Эквивалентная схема ИИП с источниками потерь

Перечисленные неидеальности компонентов схемы являются источниками потерь энергии. В результате фактическое значение выходного напряжения составляет:

(6)

Выразим КПД схемы:

(7)

Рассчитать КПД повышающего преобразователя можно по формуле 8:

(8)

Пример расчета

1. Исходные данные:

2. Расчет номиналов:

1) Определим коэффициент заполнения импульсов по формуле (2):

2) Ток нагрузки:

3) Минимальный ток нагрузки:

Номинальный ток нагрузки превосходит минимальный ток – стабилизатор будет работать в режиме непрерывного тока.

4) Период коммутации:

= 22,2 мкс

5) Подберем индуктивность катушки (4):

Ближайшее значение из ряда 390 мкГн

6) Абсолютная величина погрешности выходного напряжения:

7) Подберем емкость (5):

В качестве I_max принимаем удвоенное значение номинального тока нагрузки. С учетом запаса на I_max, возьмем ближайшее значение из ряда 22 мкФ.

Выбор компонентов:

В качестве диода выберем диод Шоттки с максимальным проходным током не менее (двукратный запас). Возьмем диод 1N5822RLG, Vd=0,5 В. Последовательным сопротивлением диода пренебрежем.

В качестве ключа будем использовать N MOP транзистор. Данный транзистор должен быть способен пропускать через себя ток минимум в I_k = = = 1,96 А и рассеивать мощность в D*I²_k*, напряжение сток-исток должно быть не менее U_вых+U_D. Желательно обеспечить двукратный запас по току транзистора для повышения надежности схемы. В качестве транзистора будем использовать IRF7413.

Задание

1. Разработать схему идеального повышающего ИИП.

1. , из варианта;

2. пульсации выходного напряжения не более 10% от номинального значения;

3. пульсации тока в индуктивности

2. Поставить в схему модели реальных компонентов.

3. Рассчитать максимальное сопротивление индуктивности, при котором КПД преобразователя будет не ниже 85%

4. Ответить на контрольные вопросы.

Cписок контрольных вопросов:

1. Сравнение линейных стабилизаторов напряжения с импульсными. Перечислить плюсы и минусы последних.

2. Изобразить схему повышающего ИИП, описать принцип работы.

3. Изобразить схему понижающего ИИП, описать принцип работы.

4. Изобразить схему инвертирующего ИИП, описать принцип работы.

5. Что влияет на КПД ИИП? Каким образом можно добиться его повышения?

6. Почему выгодно использовать диод Шоттки, а не обычный диод? Сравнение ВАХ диода Шоттки с ВАХ обычного полупроводникового диода.

7. Режим прерывистого и непрерывного тока. Как будет работать ИИП в этих режимах? Какие соотношения выполняются в режиме непрерывного тока, но не выполняются в режиме прерывистого? Изобразить на графике зависимость тока индуктивности от времени в этих режимах.

8. Как рассчитать номиналы катушки индуктивности и конденсатора? Какие факторы нужно учитывать при выборе компонентов?

9. Как рассчитать минимальный ток нагрузки?

10. Что такое коэффициент заполнения импульса? Как его значение соотносится со входным и выходным напряжением ИИП?